CN113193371B - 基于双模谐振的小型化高隔离度圆极化分集天线 - Google Patents

基于双模谐振的小型化高隔离度圆极化分集天线 Download PDF

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Abstract

本发明提供基于双模谐振的小型化高隔离度圆极化分集天线，包括金属地板、介质层和两组镜像对称设置的辐射单元；每组辐射单元中均包括辐射贴片、短路部件组和馈电探针；馈电探针向辐射贴片馈电，辐射贴片通过短路部件组与金属地板连接；介质层位于金属地板与辐射贴片之间；短路部件组用于屏蔽两辐射贴片之间的耦合、维持所述辐射贴片放大2倍后所激励的TM11模和TM31/13模的谐振频率不变；所述辐射贴片上开设有镂空槽，镂空槽用于聚拢TM11模、TM31/13模的部分电场。两组镜像对称的辐射单元，分别激发左旋和右旋的圆极化波，形成分集天线。辐射贴片的工作频率为其放大2倍时的工作频率，两辐射单元之间隔离度高，使分集天线能在不影响工作性能的条件下做得更小。

Description

基于双模谐振的小型化高隔离度圆极化分集天线
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其是指一种基于双模谐振的小型化高隔离度圆极化分集天线。
背景技术
近些年来，随着现代无线通信***的快速发展，现代无线移动通信***，特别是终端天线，需要具有可靠稳定地辐射电磁波性能且拥有更高的通信容量，以进一步满足大数据量业务以及可靠传输的要求。圆极化分集天线能够提高传统天线功率容量，解决传统天线极化因极化未对准而引起的接收信号微弱的问题以及信号在传输过程中受到的反射波干扰等问题。然而，圆极化分集天线往往需要端口之间具有较好的隔离度，且其天线空间尺寸受现代通信***限制。因此，紧凑型、小型化圆极化分集天线成为现代移动通信***的发展方向。
传统的圆极化分集天线通常采用结构的对称性来实现不同旋向的圆极化特性，进而在远区产生不同的极化实现极化分集。目前，实现圆极化分集可采用物理上直观旋转微扰后的贴片实现圆极化、混合耦合的形式实现圆极化以及基于印刷单极子形式实现极化分集等方法。现有技术一实现圆极化分集是通过采用多层结构，固定馈电层机械地将切角圆极化贴片层旋转90°，旋转前后的天线结构可以实现不同旋向的圆极化性能。现有技术二实现圆极化分集是通过控制二极管开关从而控制边角部分上的电流导通与截止，实现不同的圆极化分集以及线极化分集之间的切换。现有技术三实现圆极化分集是通过在印刷单极子的基础上，设计出左右对称的缝隙环，产生不同旋向的圆极化特性。
但是技术一采用的是多层结构，天线的剖面高，机械地旋转来实现的圆极化分集在实际应用中也将受到较大的限制，如旋转精度不足出现偏差、机械旋转降低天线的使用寿命等。技术二和技术三在结构上都含有空气层，天线整体结构需要复杂的稳定固定装置，且剖面都较高，此外，技术二采用的二极管控制形式不仅使得天线结构复杂，用的材料多，加工难度大，增加的天线的制作成本。技术一、技术二和技术三天线不仅剖面高，其横向尺寸也均较大，不利于对天线小尺寸需求的应用。使得在实现圆极化分集特性时存在天线剖面高、横向尺寸大、端口之间耦合干扰强等使用中的不足。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：设计一种重量轻、体积小、剖面低、结构简单、易于共形的高隔离度圆极化分集天线。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于双模谐振的小型化高隔离度圆极化分集天线，包括金属地板、介质层和两组镜像对称设置的辐射单元；每组所述辐射单元中均包括辐射贴片、短路部件组和馈电探针；所述馈电探针向所述辐射贴片馈电，所述辐射贴片通过所述短路部件组与所述金属地板连接；所述介质层位于所述金属地板与所述辐射贴片之间；所述短路部件组用于屏蔽两所述辐射贴片之间的耦合、维持所述辐射贴片放大2倍后所激励的TM11模和TM31/13模的谐振频率不变；所述辐射贴片上开设有镂空槽，所述镂空槽用于聚拢所述TM11模、所述TM31/13模的部分电场。
进一步地，所述辐射贴片呈矩形；所述短路部件组包括金属柱，所述金属柱沿着所述辐射贴片的第一边边沿、第二边边沿依次排列成L字型；所述第一边与所述第二边相邻，所述第一边为靠近另一辐射单元的边。
进一步地，所述镂空槽位于所述辐射贴片的对角线上，且其长度方向的延长线过所述短路部件组的拐角。
进一步地，所述镂空槽的远离拐角端延伸至直角的顶点处，该直角与所述拐角相对。
进一步地，所述天线的中心工作频率波长为λ，两所述第一边之间的距离为A，其中，A≥0.00473λ。
进一步地，所述镂空槽的长度为B，宽度为C，其中，0.253λ≤B≤0.254λ，0<C≤0.027λ。
进一步地，所述短路部件组中的金属柱的间距为R，金属柱的直径为D；所述辐射贴片为正方形，边长为E，其中，0.0055λ≤R≤0.0071λ，0.0028λ≤D≤0.003λ，0.197λ≤E≤0.198λ。
进一步地，所述短路部件组的总长度为N，其中，1.95E≤N≤2E。
进一步地，所述金属地板的长边为F，宽边为G；所述介质层由介电常数为2.0-4.0的介质板构成，所述介质板的厚度为H，其中，0.00473λ≤A≤0.00475λ，0.550λ≤F≤0.554λ，0.550λ≤G≤0.554λ，0.0552λ≤H≤0.0554λ。
进一步地，所述辐射贴片的馈电点位置阻抗匹配。
本发明的有益效果在于：两组镜像对称的辐射单元，均激发圆极化波，但二者的圆极化旋向相反，进而形成分集天线。由于短路部件组的作用，单个辐射贴片的工作频率为其放大2倍时所激励的TM11模和TM31/13模的工作频率，且分集天线中的两个圆极化辐射单元之间的具有很高的隔离度，使分集天线能够在不影响工作性能的条件下做得更小。又由于镂空槽将TM11模和TM31/13模的部分电场聚拢，实现圆极化特性，展宽天线带宽。
附图说明
下面结合附图详述本发明的具体结构
图1为本发明的基于双模谐振的小型化高隔离度圆极化分集天线的俯视图；
图2为本发明的基于双模谐振的小型化高隔离度圆极化分集天线的正视图；
图3为本发明的基于双模谐振的小型化高隔离度圆极化分集天线的侧视图；
图4为本发明的基于双模谐振的小型化高隔离度圆极化分集天线的仰视图；
图5是本发明的基于双模谐振的小型化高隔离度圆极化分集天线端口的反射系数曲线图；
图6是本发明的基于双模谐振的小型化高隔离度圆极化分集天线的轴比曲线图；
图7是本发明的基于双模谐振的小型化高隔离度圆极化分集天线的端口隔离曲线图；
图8是本发明的基于双模谐振的小型化高隔离度圆极化分集天线的左旋圆极化辐射单元中馈电探针激励时在谐振频率4.74GHz处的Phi＝0°面的左旋圆极化方向图；
图9是本发明的基于双模谐振的小型化高隔离度圆极化分集天线的左旋圆极化辐射单元中馈电探针激励时在谐振频率4.74GHz处的Phi＝90°面左旋圆极化方向图；
图10是本发明的基于双模谐振的小型化高隔离度圆极化分集天线的右旋圆极化辐射单元中馈电探针激励时在谐振频率4.74GHz处的Phi＝0°面的右旋圆极化方向图；
图11是本发明的基于双模谐振的小型化高隔离度圆极化分集天线的右旋圆极化辐射单元中馈电探针激励时在谐振频率4.74GHz处的Phi＝90°面的右旋圆极化方向图；
图12是本发明的基于双模谐振的小型化高隔离度圆极化分集天线的增益变化曲线图；
其中，1-辐射贴片，2-介质层，3-金属地板，4-金属柱，5-馈电探针，6-镂空槽。
具体实施方式
以下根据本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果的具体实施方式并配合附图详予详细说明。
实施例1
请参阅图1至图4，一种基于双模谐振的小型化高隔离度圆极化分集天线，包括金属地板3、介质层2和两组镜像对称设置的辐射单元；每组所述辐射单元中均包括辐射贴片1、短路部件组和馈电探针5；所述馈电探针5向所述辐射贴片1馈电，所述辐射贴片1通过所述短路部件组与所述金属地板3连接；所述介质层2位于所述金属地板3与所述辐射贴片1之间；所述短路部件组用于屏蔽两所述辐射贴片1之间的耦合、维持所述辐射贴片1放大2倍后所激励的TM11模和TM31/13模的谐振频率不变；所述辐射贴片1上开设有镂空槽6，所述镂空槽6用于聚拢所述TM11模、所述TM31/13模的部分电场。
两组镜像对称的辐射单元，均激发圆极化波，但二者的圆极化旋向相反，进而形成分集天线。由于短路部件组的作用，辐射贴片1的工作频率为其放大2倍且不加载短路部件组时的工作频率，又分集天线中的两个圆极化辐射单元之间的具有很高的隔离度，使分集天线能够在不影响工作性能的条件下做得更小。所述镂空槽6仅聚拢与所述辐射贴片1放大2倍后的且位于所述辐射贴片1上的对应TM11模和TM31/13模的部分电场，但与所述辐射贴片1放大2倍后的且位于所述辐射贴片1外的对应TM11模和TM31/13模的电场无关。
所述辐射贴片1的工作频率相当于其放大2倍时的工作频率，即本发明中辐射贴片1的横向面积为与工作频率对应的贴片的横向面积的四分之一；又两个圆极化辐射单元之间的具有很高的隔离度，二者可以设计得更为靠近，故最终的分集天线能够做得很小。又由于镂空槽将TM11模和TM31/13模的部分电场聚拢，实现圆极化特性，展宽天线带宽。
实施例2
在上述结构基础上，所述辐射贴片1呈矩形；所述短路部件组包括金属柱4，所述金属柱4沿着所述辐射贴片1的第一边边沿、第二边边沿依次排列成L字型；所述第一边与所述第二边相邻，所述第一边为靠近另一辐射单元的边。
辐射贴片1放大两倍所对应的贴片(后续称为大贴片)，激励形成的TM11模和TM31/13模的远场辐射方向图为方形贴片端射——由四个大小一致的辐射瓣组成，每两个辐射瓣之间存在明显凹陷，且凹陷位置均位于大贴片的中垂线位置上。沿着中垂线位置加载短路部件组，能够将远场辐射方向图四等分，四部分的辐射贴片工作频率均没有改变，但对应的辐射方向图变成了顶端辐射。故，在保持工作频率不变的情况下，圆极化辐射单元的辐射贴片1的横向面积为原来的四分之一。短路部件组呈L字型才能保证缩小大贴片尺寸后工作频率不变。分集天线的两辐射贴片1的第一边加载短路部件组才能使得两辐射贴片1之间不相互耦合，进而提高两圆极化辐射单元之间的隔离度。此外，第一边加载短路部件组令两辐射贴片1可以设计得很靠近，使最终的分集天线具有很小的横向面积。
实施例3
在上述结构基础上，所述镂空槽6位于所述辐射贴片1的对角线上，且其长度方向的延长线过所述短路部件组的拐角。该镂空槽6调节TM31/13模的谐振频点，使得相互正交的TM11模和TM31/13模的谐振频点靠近后在特定频率区间内实现圆极化特定。
实施例4
在上述结构基础上，所述天线的中心工作频率波长为λ，两所述第一边之间的距离为A；所述镂空槽6的长度为B，宽度为C；所述短路部件组中的金属柱4的间距为R，金属柱4的直径为D；所述辐射贴片1为正方形，边长为E；所述短路部件组的总长度为N；所述金属地板3的长边为F，宽边为G；所述介质层2由介电常数为2.0-4.0的介质板构成，所述介质板的厚度为H，其中，0.00473λ≤A≤0.00475λ，0.253λ≤B≤0.254λ，0<C≤0.027λ，0.0055λ≤R≤0.0071λ，0.0028λ≤D≤0.003λ，0.197λ≤E≤0.198λ，1.95E≤N≤2E，0.550λ≤F≤0.554λ，0.550λ≤G≤0.554λ，0.0552λ≤H≤0.0554λ。两辐射单元种的辐射贴片1不能连接在一起，否则同一直线向的磁流会相互抵消，无法形成圆极化特性。在上述尺寸范围内，分集天线具有良好的圆极化特性。
实施例5
在上述结构基础上，所述辐射贴片1的馈电点位置阻抗匹配。
为了进一步说明本发明的有益效果，根据以下试验例作进一步说明：
试验例
请参阅图1至图4，基于双模谐振的小型化高隔离度圆极化分集天线，包括金属地板3、介质层2和两组镜像对称设置的辐射单元；每组所述辐射单元中均包括辐射贴片1、短路部件组和馈电探针5；所述馈电探针5向所述辐射贴片1馈电，所述辐射贴片1通过所述短路部件组与所述金属地板3连接；所述介质层2位于所述金属地板3与所述辐射贴片1之间；所述短路部件组用于屏蔽两所述辐射贴片1之间的耦合、维持所述辐射贴片放大2倍后所激励的TM11模和TM31/13模的谐振频率不变；所述辐射贴片1上开设有镂空槽6，所述镂空槽6用于聚拢所述TM11模、所述TM31/13模的部分电场。
所述辐射贴片1为正方形；所述短路部件组包括金属柱4，所述金属柱4沿着所述辐射贴片1的第一边边沿、第二边边沿依次排列成L字型；所述第一边与所述第二边相邻，所述第一边为靠近另一辐射单元的边。所述镂空槽6位于所述辐射贴片1的对角线上，且其长度方向的延长线过所述短路部件组的拐角。所述镂空槽6的远离拐角端延伸至直角的顶点处，该直角与所述拐角相对。
两所述第一边之间的距离为0.3mm；所述镂空槽6的长度为16.08mm，宽度为1.7mm；所述短路部件组中的金属柱4的间距为0.4mm，金属柱4的直径为0.18mm；所述辐射贴片1边长为12mm；所述短路部件组的总长度为辐射贴片1的二分之一周长；所述金属地板3的长边为35mm，宽边35为mm；所述介质层2由介电常数为3.0的介质板构成，所述介质板的厚度为3.5mm，长边为35mm，宽边为35mm。
所述辐射贴片1的馈电点位置阻抗匹配，且该位置位于所述镂空槽的靠近所述第二边的一侧，如图1。此时，图1中，左侧的辐射单元呈现左旋圆极化性能，右侧的辐射单元呈现右旋圆极化性能。
对试验例进行仿真，结果详见图5-图12：
1、仿真内容
请参考图5至图12。利用仿真软件对试验例中的分集天线的端口反射系数、天线两射频接头端口之间的隔离度、天线实现圆极化轴比及天线方向图进行了仿真，由于本发明设计天线为圆极化分集天线，且天线结构呈现对称性，馈电探针5对应的射频端口分别激励馈电时所对应的端口反射系数、端口隔离曲线以及轴比曲线轨迹一样。
2、仿真结果
图5是本发明的基于双模谐振的小型化高隔离度圆极化分集天线端口的反射系数曲线图，图6是本发明的基于双模谐振的小型化高隔离度圆极化分集天线的轴比曲线图，从图5、图6中可以看出，端口反射系数低于-10dB的频段为4.59GHz-4.90GHz，占6.5％，3dB轴比带宽为4.695GHz-4.805GHz，占2.3％。图7是本发明的基于双模谐振的小型化高隔离度圆极化分集天线的端口隔离曲线图，从图7中可以看出，在3dB轴比带宽为4.695GHz-4.805GHz内，|S12|均小于-21.5dB，满足端口隔离度的要求，能够很好地实现天线圆极化分集特性，满足移动通信***对圆极化分集的需求。
图8是本发明的基于双模谐振的小型化高隔离度圆极化分集天线的左旋圆极化辐射单元中馈电探针激励时在谐振频率4.74GHz处的Phi＝0°面的左旋圆极化方向图，图9是本发明的基于双模谐振的小型化高隔离度圆极化分集天线的左旋圆极化辐射单元中馈电探针激励时在谐振频率4.74GHz处的Phi＝90°面左旋圆极化方向图；图10是本发明的基于双模谐振的小型化高隔离度圆极化分集天线的右旋圆极化辐射单元中馈电探针激励时在谐振频率4.74GHz处的Phi＝0°面的右旋圆极化方向图，图11是本发明的基于双模谐振的小型化高隔离度圆极化分集天线的右旋圆极化辐射单元中馈电探针激励时在谐振频率4.74GHz处的Phi＝90°面的右旋圆极化方向图。从图8至图11中可以看出，在左旋圆极化辐射单元中馈电探针激励时，天线产生稳定的顶端辐射左旋圆极化方向图；在右旋圆极化辐射单元中馈电探针激励时，天线产生稳定的顶端辐射右旋圆极化方向图，且天线顶端的增益在该频点下保持为4.2dBic，具有良好的圆极化分集的特性，有利于应用于现代移动通信***、卫星***中。
图12是本发明的基于双模谐振的小型化高隔离度圆极化分集天线的增益变化曲线图。从图12中可以看出，基于双模谐振的小型化高隔离度圆极化分集天线的增益在3dB轴比带宽4.695GHz-4.805GHz内大于4.2dBic，符合移动通信的需求。
综上所述，本发明提供的基于双模谐振的小型化高隔离度圆极化分集天线，两组镜像对称的辐射单元，均激发圆极化波，但二者的圆极化旋向相反，进而形成分集天线。由于短路部件组的作用，单个辐射贴片的工作频率相当于其放大2倍且不加载短路部件组时的工作频率，且分集天线中的两个圆极化辐射单元之间的具有很高的隔离度，使分集天线能够在不影响工作性能的条件下做得更小。又由于镂空槽将TM11模和TM31/13模的部分电场聚拢，实现圆极化特性，展宽天线带宽。又该分集天线呈层状结构，重量轻、体积小、剖面低、结构简单、易于共形，即加工成本地、占用空间小、结构稳定，可以有效应用于现代移动通信***、卫星***中。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于双模谐振的小型化高隔离度圆极化分集天线，其特征在于，包括金属地板、介质层和两组镜像对称设置的辐射单元；每组所述辐射单元均包括辐射贴片、短路部件组和馈电探针；所述馈电探针向所述辐射贴片馈电，所述辐射贴片通过所述短路部件组与所述金属地板连接；所述介质层位于所述金属地板与所述辐射贴片之间；所述短路部件组用于屏蔽两所述辐射贴片之间的耦合、维持所述辐射贴片放大2倍后所激励的TM11模和TM31/13模的谐振频率不变；所述辐射贴片上开设有镂空槽，所述镂空槽用于聚拢所述TM11模、所述TM31/13模的部分电场；
所述辐射贴片呈矩形；所述短路部件组包括金属柱，所述金属柱沿着所述辐射贴片的第一边边沿、第二边边沿依次排列成L字型；所述第一边与所述第二边相邻，所述第一边为靠近另一辐射单元的边；
所述镂空槽位于所述辐射贴片的对角线上，且其长度方向的延长线过所述短路部件组的拐角。
2.如权利要求1所述的基于双模谐振的小型化高隔离度圆极化分集天线，其特征在于，所述镂空槽的远离拐角端延伸至直角的顶点处，该直角与所述拐角相对。
3.如权利要求2所述的基于双模谐振的小型化高隔离度圆极化分集天线，其特征在于，所述天线的中心工作频率波长为λ，两所述第一边之间的距离为A，其中，A≥0.00473λ。
4.如权利要求3所述的基于双模谐振的小型化高隔离度圆极化分集天线，其特征在于，所述镂空槽的长度为B，宽度为C，其中，0.253λ≤B≤0.254λ，0<C≤0.027λ。
5.如权利要求3所述的基于双模谐振的小型化高隔离度圆极化分集天线，其特征在于，所述短路部件组中的金属柱的间距为R，金属柱的直径为D；所述辐射贴片为正方形，边长为E，其中，0.0055λ≤R≤0.0071λ，0.0028λ≤D≤0.003λ，0.197λ≤E≤0.198λ。
6.如权利要求5所述的基于双模谐振的小型化高隔离度圆极化分集天线，其特征在于，所述短路部件组的总长度为N，其中，1.95E≤N≤2E。
7.如权利要求3所述的基于双模谐振的小型化高隔离度圆极化分集天线，其特征在于，所述金属地板的长边为F，宽边为G；所述介质层由介电常数为2.0-4.0的介质板构成，所述介质板的厚度为H，其中，0.00473λ≤A≤0.00475λ，0.550λ≤F≤0.554λ，0.550λ≤G≤0.554λ，0.0552λ≤H≤0.0554λ。
8.如权利要求1至7任一所述的基于双模谐振的小型化高隔离度圆极化分集天线，其特征在于，所述辐射贴片的馈电点位置阻抗匹配。
CN202110484156.1A 2021-04-30 2021-04-30 基于双模谐振的小型化高隔离度圆极化分集天线 Active CN113193371B (zh)

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